As bases físicas da função neuronal.

Aluna: Mônica Aparecida Ganazza3º Ciências Biológicas Integral

Introdução.� Neurônios: células nervosas que transmitem as

informações usando uma combinação de sinais elétricos e químicos. São as células mais importantes para coordenar a performance responsável pela atividade de um animal.

� Possuem membranas eletricamente excitáveis, ou seja, os sinais são gerados e transmitidos por elas sem perda como resultado do movimento de partículas carregadas (íons). As propriedades dos sinais elétricos permitem aos neurônios conduzir as informações rápida e precisamente para coordenar ações que envolvem muitas partes ou mesmo todo o corpo de um animal.

� Todos os neurônios juntamente com as células de suporte, ou células da glia formam o sistema nervoso, que recebe e processa a informação, analisa-a e gera respostas coordenadas para controlar comportamentos complexos.

Estrutura, função e organização neuronal.� Neurônios possuem regiões identificáveis e

anatomicamente distintas, caracterizadas por especializações na membrana e na arquitetura subcelular.

� Todos os neurônios possuem:� soma ou corpo celular: manutenção metabólica;� dendritos: são múltiplos, geralmente ramificados,

servem como superfície receptora trazendo sinais de outros neurônios para o corpo celular;

� axônios ou fibras nervosas: único, conduzem sinais do corpo celular, desenvolveram mecanismos para transmissão de informações a grandes distâncias com alta fidelidade e sem perdas. Em seu término, pode se dividir em diversos ramos permitindo que seus sinais sejam enviados simultaneamente para muitos outros neurônios, glândulas ou para fibras musculares.

� Dendritos e axônios têm origem no corpo celular.� Feixes de axônios percorrendo tecidos do corpo de

um animal são denominados nervos.

Transmissão de sinais em um único neurônio.

� Membranas da superfície de dendritos de um neurônio motor são inervadas por terminais de outros neurônios, geralmente o corpo celular integra as mensagens de muitos impulsos de neurônios para determinar o início de uma resposta chamada potencial de ação (PA) ou impulso nervoso.

� Axônio conduz PA (originado na zona de disparo do PA, localizada próxima ao cone axônico, na junção do axônio e corpo celular) para o terminal axônico;

� O comportamento fisiológico de um neurônio depende das suas propriedades de membrana. As membranas possuem propriedades elétricas que permitem a condução de sinais elétricos sem perda de amplitude.

� As respostas elétricas ativas dos neurônios e outras células excitáveis dependem da presença de proteínas especializadas, conhecidas como canais iônicos voltagem-dependentes, na membrana celular.

� Os canais iônicos voltagem-dependentes permitem aos íons atravessar a membrana celular em resposta a alterações ao campo elétrico através da membrana.

Transmissão de sinais entre neurônios

� A maioria das transmissões sinápticas é realizada por neurotransmissores (moléculas liberadas por terminais axônicos em resposta ao PA vindo pelo axônio).

� Os canais iônicos (membrana dos dendritos e soma) ligam os neurotransmissores e reagem a eles.

� Efeitos pós-sinápticos dos numerosos impulsos são integrados de modo a produzir um potencial pós-sináptico resultante dos dendritos, do soma e do cone axônico.

Organização do sistema nervoso.� Formado por dois tipos de células: neurônios e

células gliais de suporte.� Neurônios:� Sensoriais: transmitem informações captadas de

estímulos externos ou respondem a estímulos do interior do corpo;

� Interneurônios: conectam outros neurônios dentro do SNC;

� Motores: conduzem sinais aos órgãos efetores causando contração de músculos ou secreção de células glandulares.

� Os neurônios sensoriais transformam energia física existente em um estímulo em impulsos elétricos usados pelo sistema nervoso.

� SNC: um cérebro, localizado na cabeça, um cordão nervoso posterior ao longo da linha média do animal.

� Vertebrados:

� gânglios: corpos celulares neuronais periféricos, fora do SNC;

� medula espinal: cordão nervoso localizado ao longo da linha média dorsal;

� neurônios com corpos no SNC enviam fibras para a periferia para captar informações sensoriais ou para emitir informações motoras para controle da atividade de músculos ou glândulas.

� Células da glia:� preenchem todo espaço entre os neurônios;� íntimo suporte estrutural e talvez metabólico para

os neurônios;� podem ser oligodendrócitos no SNC ou células de

Schwann na periferia que envolvem cada axônio por uma camada isolante de mielina que assegura a transmissão segura e rápida dos PA.

� Geralmente não produzem PA e talvez ajudem a regular as concentrações de K+ e pH do fluido extracelular do sistema nervoso.

Excitação da membrana

� Embora exista uma voltagem (diferença de potencial) estável ao nível de membrana plasmática de todas as células animais, somente as membranas das células eletricamente excitáveis (como neurônios, cls. musculares, e sensoriais) podem responder a alterações nas diferenças de potencial gerando PA.

Medindo os potenciais da membrana

� Correntes elétricas são geradas nos tecidos vivos onde exista um fluxo resultante de partículas carregadas através da membrana, e podem ser detectadas pela utilização de dois eletrodos para medir alterações no potencial elétrico que é causado pelo fluxo de corrente através da membrana celular.

� Vm: potencial da membrana, diferença de potencial medida através da membrana.

� Sempre considerado como potencial intracelular em relação ao potencial extracelular.

� Na prática é subtraído o potencial extracelular do potencial intracelular para dar a diferença de potencial.

� Vrep: potencial negativo estável registrado pela ponta do eletrodo após sua entrada no citosol.

� Expresso em milivolts (mV); � valor entre -20mV e -100mV.� potencial da membrana medido quando nenhum

evento ativo ou evento pós-sináptico está ocorrendo;

� A diferença de potencial constitui um gradiente elétrico que está disponível como fonte de energia para a movimentação de íons através da membrana.

Características das propriedades elétricas passiva e ativa da membrana.� A membrana dos neurônios e de outras células

excitáveis apresenta propriedades elétricas passiva e ativa.

� Passivas: podem ser medidas pela passagem de um pulso através da membrana com a finalidade de produzir leve perturbação no potencial da membrana.

� Hiperpolarização:quando um pulso remove cargas positivas de dentro da célula através do eletrodo, o interior da célula que já é negativo se torna ainda mais negativo; isto aumenta a diferença de potencial através da membrana celular.

As membranas em geral respondem passivamente à hiperpolarização não produzindo outra resposta exceto a alteração do potencial causada pela corrente aplicada.

� Ativas:� Despolarização: quando um pulso de corrente

adiciona cargas positivas ao interior da célula pelo eletrodo de corrente, as cargas positivas adicionais diminuirão a diferença de potencial através da membrana. Quando a quantidade de corrente aplicada aumenta, o grau de despolarização também aumenta. A despolarização de um neurônio desencadeia a abertura de canais que são seletivamente permeáveis aos íons Na+.

� Quando as células eletricamente excitáveis se tornam suficientemente despolarizadas para abrir um número crítico de canais seletivos ao Na+, um PA é desencadeado.

� Potencial limiar: é o valor do potencial da membrana que dispara um PA.

� A abertura de canais de Na+ voltagem-dependentes em resposta à despolarização, e o fluxo de íons para o interior da célula é um exemplo de excitação da membrana.

Papel dos canais iônicos.� Canais iônicos atuam nas respostas elétricas

passiva e ativa dos neurônios.� A mudança passiva no Vm que ocorre em resposta

à hiperpolarização ou à despolarização não depende da abertura ou do fechamento dos canais iônicos.

� A corrente iônica que produz respostas elétricas passivas flui primeiramente através de canais seletivos ao K+ que estão sempre abertos. Esses canais de potássio em repouso são os principais responsáveis pela manutenção do potencial de repouso, Vrep, através da membrana celular.

� A alteração ativa no Vm que ocorre nas células excitáveis depende da abertura ou fechamento dos numerosos canais iônicos seletivos que respondem à despolarização da membrana.

� A abertura (ou fechamento) de uma população de canais iônicos controla o fluxo de uma corrente iônica que é atraída de um lado da membrana para outro pelo gradiente eletroquímico para os íons que permeiam os canais.

� A maioria dos canais na membrana permite a passagem de um ou poucas espécies de íons mais eficientemente que outros, ou seja, exibem certo grau de seletividade.

� Outros canais se abrem por exemplo quando moléculas de transmissores se ligam a proteínas receptoras na superfície da célula; ou são ativados por estímulos de formas específicas de energia como: luz, substâncias químicas, ou estiramento mecânico.

Propriedades elétricas passivas da membrana.� A capacitância e a condutância das membranas

celulares, que são responsáveis pelas suas respostas elétricas passivas, correspondem a elementos estruturais particulares da membrana.

� Capacitância: a dupla camada lipídica que é impermeável aos íons, age como um isolante que separa íons carregados, conferindo a capacitância elétrica da membrana.

� Condutância: os canais iônicos por onde as cargas elétricas atravessam a membrana conferem à ela sua condutância elétrica.

Resistência e condutância da membrana.� Resistência(R): é a medida da impermeabilidade

da membrana aos íons. Para um dada voltagem transmembrânica, quanto menor a resistência da membrana, maior número de cargas iônicas atravessarão a membrana pelos canais iônicos por unidade de tempo. É medida em ohms.

� Condutância(g): é a medida da permeabilidade da membrana aos íons, ou seja, é o inverso da resitência. Sua unidade é siemens, S.

Capacitância da membrana.� Embora os íons não atravessem a dupla camada

lipídica, exceto através dos canais iônicos, eles podem interagir através da membrana, que é uma fina camada isolante, para produzir uma corrente de capacitância (ou deslocamento de carga) mesmo quando nenhuma carga atravessa fisicamente a membrana neste processo.

� Como os íons não podem atravessar a camada lipídica, eles se acumulam nas duas superfícies da membrana, os cátions no lado anódico e os ânions no lado catódico, produzindo um excesso resultan-

te de íons carregados opostamente em lados opostos da membrana. Estes podem interagir eletrostaticamente.

� A capacidade da dupla camada de separar ou estocar cargas desse modo é a sua capacitância, que é medida em unidades de coulomb por volt, ou farads (F).

Potenciais eletroquímicos� Todos os fenômenos elétricos nos neurônios e em

outras células dependem da diferença de potencial transmembrânico, Vm. Essa diferença de potencial através da membrana celular é um potencial eletroquímico que se origina de duas características encontradas em células procarióticas:

� As concentrações de vários íons dentro da célula são diferentes das concentrações dos mesmos íons nos fluidos fora da célula, e esses gradientes de concentração são mantidos à custa de energia metabólica.

� Os canais iônicos que se espalham pela membrana são seletivamente permeáveis às diferentes espécies iônicas.

� Essas duas propriedades resultam no potencial transmembrana, Vm, que juntamente com as propriedades elétricas da membrana produz os sinais que os neurônios usam para a comunicação.

A equação de Nernst: cálculo do potencial de equilíbrio para íons individuais.

� Estabelece que o potencial de equilíbrio depende da temperatura absoluta, da valência do íon difusível e, de modo muito importante, da diferença de concentração nos dois lados da membrana.

Ex=RT ln [X]I

zF [X]II

Ex=RT ln [X]I

zF [X]II

onde: R: constante dos gases;T: temperatura absoluta (em graus Kelvin);F: constante de Faraday (96.500

coulombs/equivalente grama);z: valência do íon X;[XI] e [XII]: concentrações do íons X nos lados

I e II da membrana;Ex: potencial de equilíbrio para o íon X.

Equação de Goldman: calculando o potencial de equilíbrio para múltiplos íons.

� Pode ser considerada um generalização aproximada da equação de Nernst que foi ampliada para incluir a permeabilidade relativa de cada espécie de íon.

Eíons= RT ln PK[K+]0 + PNa[Na+]0 + PCl[Cl-]i

F PK[K+]i + PNa[Na+]i +P Cl[Cl-]0

Eíons= RT ln PK[K+]0 + PNa[Na+]0 + PCl[Cl-]i

F PK[K+]i + PNa[Na+]i +P Cl[Cl-]0

onde: PK, PNa, PCl: constantes de permeabilidade para as principais espécies de íons nos compartimentos intracelular e extracelular.

[K+]0 e [K+]i: indicam respectivamente as concentrações de K+ fora e dentro da célula.

O potencial de repouso.� No equilíbrio, cada célula que está em um estado

não excitado ou em “repouso”tem uma diferença de potencial, Vrep, através da membrana.

Papel dos gradientes e dos canais iônicos.� Os potenciais de repouso das células musculares,

nervosas e da maioria das outras células têm-se mostrado muito mais sensíveis a alterações na [K+] do que a alterações das concentrações dos outros cátions. Essa alta sensibilidade é dependente de um conjunto de canais seletivos ao K+ que permanecem abertos na membrana em repouso.

Papel do transporte ativo

� O segundo fator que contribui para o Vrep é a distribuição assimétrica dos íons através das membranas celulares, que depende do transporte ativo de íons particulares através da membrana.

� Como as membranas biológicas são mais ou menos permeáveis aos solutos, as células devem dispender energia para manter uma distribuição assimétrica dos íons orgânicos que atravessam suas membranas plasmáticas. Os íons chave são ativamente transportados na direção oposta ao seu movimento em favor do seu gradiente de concentração.

� Por exemplo: a alta concentração intracelular de K+ e a baixa concentração intracelular de Na+ são mantidas pela ação de uma proteína específica da membrana, e este processo é chamado bomba de sódio.

� Essa proteína é uma ATPase de Na+/K+, que transporta o Na+ para fora e o K+ para dentro da célula, à custa de hidrólise de ATP. Esse transporte ativo entretanto não é balanceado estequiometricamente pois, para cada molécula de ATP hidrolisada, três íons Na+ são transportados para fora e dois íons K+ são transportados para o interior da célula.

Bomba de Sódio e Potássio:

Potenciais de ação

� Os neurônios usam um tipo de sinal, o potencial de ação (PA), para transferir informações para e através dos segmentos eferentes da célula, freqüentemente a longas distâncias.

� PAs são alterações grandes e rápidas no Vm que se propagam pelo axônio sem diminuição. Uma vez que um PA se inicia em um neurônio, o sinal percorre a membrana celular, produzindo a mesma quantidade de alteração no Vm em cada ponto.

� O tempo é constante à medida que o PA se desloca pela membrana do axônio. Em um único axônio, todo início de PA produzirá a mesma quantidade de variação no Vm, com mesmo tempo de duração. Por esse motivo os PA são chamados eventos “tudo -ou- nada”.

� A produção de um PA depende de três elementos chave:

� Transporte ativo de íons que gera concentrações desiguais de espécies iônicas através da membrana.

� Distribuição desigual de íons que gera um gradiente eletroquímico através da membrana que fornece uma fonte de energia potencial.

� Canais iônicos com comporta que são seletivos para espécies iônicas particulares que originam correntes iônicas que fluem pelos canais através da membrana, atraídos por gradientes eletroquímicos.

� Os canais de Na+ e de K+ são os mais importantes na produção dos PA.

Propriedades gerais dos potenciais de ação.

� Uma vez alcançado o potencial limiar, o PA torna-se regenerativo, isto é, o evento torna-se uma retroalimentação positiva, e o Vm continua a mudar sem a necessidade de mais estimulação.

� Um exemplo das características de um PA pode ser dado tomando como base a descarga de um vaso sanitário. Uma vez iniciada a descarga (PA) continua até o fim, independente da pressão (estímulo) aplicada à alavanca do depósito de água. O fluxo de água é assim um fenômeno do ti-

po tudo-ou-nada, como um PA. Por outro lado, se após a descarga a alavanca é pressionada antes que o depósito se tenha enchido completamente, a segunda descarga que é desencadeada será menor que a normal. Se a alavanca é pressionada muito cedo após uma descarga, uma segunda pode não ocorrer.

� Nos neurônios ocorre o período refratário absoluto, que significa que nenhum estímulo mesmo de grande intensidade é capaz de deflagrar um segundo PA nesse período, que existe durante e por curto período após um PA.

Bases iônicas do potencial de ação.� A característica elétrica de um PA é a

despolarização rápida da membrana.� Hodgkin e Huxley foram capazes de medir

diretamente as correntes conduzidas por espécies iônicas individuais. Isso foi devido ao uso de uma técnica eletrônica inédita chamada fixação de voltagem.

� Essa técnica emprega um circuito de retroalimentação que permite ao experimentador mudar abruptamente o Vm e então mantê-lo em qualquer valor pré-selecionado.

� Hodgkin e Huxley formularam equações para expressar cada condutância como uma função de Vm e do tempo. Essas equações predisseram o comportamento elétrico da membrana de uma célula nervosa em muitas condições diferentes e demonstraram que as propriedades de muitas membranas excitáveis poderiam ser inteiramente responsáveis pelas mudanças tempo-dependentes nos canais de Na+ e nos canais de K+ da membrana.

� Com base em seus resultados construíram o seguinte modelo:

� Também foi definido o ciclo de Hodgkin, que é a relação entre o potencial da membrana e a condutância ao sódio. Este representa um tipo de sistema de retroalimentação positiva. Tais sistemas são raramente encontrados em tecidos biológicos porque eles são inerentemente instáveis.

� Esse ciclo é representado da seguinte forma:

Referências bibliográficas:

� Livro: Fisiologia Animal, mecanismos e adaptações.

� Autores: Randall, Burggen e French.� Quarta edição� Editora Guanabara Koogan.